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Gli elementi negli acciai
Negli acciai, normalmente, oltre al carbonio sono presenti tre categorie di elementi:
- Impurezze
- Aggiunte standard
- Elementi di lega
Impurezze
Ci si riferisce con il termine impurezze ad elementi non desiderati, che per motivi economici non vengono eliminati del tutto. Questi elementi sono:
- Zolfo e fosforo
Sono due impurezze che si trovano molto spesso negli acciai e che sono, purtroppo, estremamente dannose. Il loro tenore è un indice della qualità dell'acciaio. Nei materiali moderni si cerca di ridurre al minimo il loro tenore (< 0.03%).
Zolfo e fosforo provocano una notevole riduzione delle caratteristiche meccaniche dell'acciaio. Si dice comunemente che lo zolfo comporta l'insorgere della cosiddetta "fragilità a caldo", mentre il fosforo sia responsabile della cosiddetta "fragilità a freddo". La ragione è che lo zolfo rende molto problematico lavorare.
l’acciaio per deformazione plastica a caldo mentre il fosforo comporta problemi nella lavorazione a freddo. Entrambi si possono trovare nell’acciaio sotto forma di composti o come semplici elementi, e sono dannosi in entrambi i casi. Per esempio, lo zolfo atomico tende a diffondere all’interno della matrice metallica e ad addensarsi sul bordo di grano, dando poi fenomeni di fragilità con fratture intergranulari. Se è invece presente come composto, crea solfuri, ad esempio FeS; quest’ultimi sono basso fondenti e tendono a dare fase liquida alle temperature di lavorazione a caldo, danneggiando quindi il materiale. Tuttavia, per quanto riguarda lo zolfo c’è un’eccezione applicativa negli acciai cosiddetti risolforati e quindi volutamente con alti tenori in questo elemento: in questo caso viene aggiunto volontariamente fino a tenori dello 0.3 0.35 % per migliorare la lavorabilità all’utensile. IDROGENO. L’idrogenoè sempre e comunque dannoso. Spesso la materia prima impiegata nei moderni processi di produzione è costituita da rottami metallici (produzione dell’acciaio in forno elettrico), dove possono trovarsi ingenti quantità di idrogeno (per esempio come idrossidi). Tuttavia l’idrogeno può entrare nel materiale metallico in conseguenza di una saldatura o anche durante la sua vita operativa per effetto di processi corrosivi.
OSSIGENO. E’ quasi sempre presente sotto forma di ossidi. L’ossigeno è l’impurezza meno dannosa perché gli ossidi sono particelle molto fini, e non deformabili, e di conseguenza non danno anisotropia sul materiale.
AZOTO. Ha importanza in molti processi. Essenzialmente aumenta la resistenza del materiale, diminuendone tenacità e duttilità; in certi casi viene perciò aggiunto di proposito. L’azoto è causa del fenomeno dell’invecchiamento per deformazione, e quindi deve
essere controllato nei materiali che devono subire deformazione a freddo.
7.2 - AGGIUNTE STANDARD.
Certi elementi vengono volontariamente aggiunti negli acciai, in quanto capaci di esaltarne alcune caratteristiche.
MANGANESE.
Si trova in tutti gli acciai, con pochissime eccezioni. Il motivo per cui viene aggiunto è la sua capacità di formare solfuri; la sua presenza evita così che lo zolfo residuo formi solfuri di ferro (come già detto dannosi), venendosi a formare solfuri di manganese (MnS). Questi, a differenza dei FeS, sono altofondenti e non danno problemi di fragilità a caldo.
Il Mn si trova normalmente con tenori dello 0.3 0.5 % (non è considerato elemento di lega per tenori inferiori all'1 %). La storia del manganese nella produzione degli acciai è stata molto tormentata. Inizialmente i tenori furono spinti anche fino all'1 %, perché in tal modo si rafforzava particolarmente il materiale (rafforzamento per soluzione solida).
Ben presto, però, ci si rese conto che la presenza massiccia di questo elemento provocava maggiore sensibilità all'intaglio (possibilità di inneschi di frattura in prossimità degli intagli), il che ha portato alla riduzione tempestiva del suotenore. I risultati che prima si ottenevano con aggiunte sensibili di Mn si cerca oggi di raggiungerli per alte vie, per esempio mediante affinamento del grano.MICROALLIGANTI.
Lo scopo principale dei microalliganti (Nb, Ti, Ta) è sostanzialmente quello di limitare l'accrescimento del grano. Questi elementi hanno un'elevata affinità con carbonio e azoto e formano carburi e nitruri estremamente fini, che migrano verso il bordo di grano con l'effetto di impedirne lo spostamento. Ciò che è più importante è che questi composti sono stabili anche ad alte temperature (oltre 1000°C) e quindi impediscono l'accrescimento del grano ad elevate temperature. Senza la
loro presenza, durante un trattamento termico, si rischia di ottenere un grano "scoppiato", mentre la loro azione fa si che un grano non possa aumentare più di 3 o 4 volte il suo diametro. I più frequenti sono Nb, Ti o Ta con tenori dello 0.03 %. SILICIO E ALLUMINIO. Servono essenzialmente ad eliminare l'ossigeno libero (sono utilizzati negli acciai calmati): hanno un'elevata affinità con l'ossigeno e formano ossidi molto fini e altofondenti. Per questi scopi il Si ha tenori all'incirca dello 0.3 % e l'Al dello 0.06 %. 7.3 - ELEMENTI DI LEGA. L'aggiunta di elementi di lega agli acciai hanno come fine quello di incrementarne i limiti di resistenza (σ e maggiori) senza decrementare troppo la tenacità. Questo risultato è strettamente legato ai trattamenti termici prima visti: la presenza degli elementi di lega permette di realizzare trattamenti termici che altrimenti non sarebbe possibile realizzare.comunque fanno sì che i risultati siano molto più soddisfacenti, in particolare per pezzi di elevato spessore. In linea di massima, quindi, gli elementi di lega migliorano la trattabilità del pezzo. Gli elementi di lega possono andare in soluzione solida con il ferro, oppure possono formare nuove fasi. Ci sono due regole di base per capire se un elemento è più o meno solubile in un altro: - REGOLA DI HUME-ROTERY. Si ha massima solubilità tra strutture uguali. Non è detto che tra due strutture uguali, ad esempio CFC, ci sia necessariamente una buona solubilità, però è difficile che ci sia solubilità tra strutture differenti. - Si ha solubilità minima tra elementi che hanno grandi differenze di dimensioni atomiche. Nel ferro, con raggio atomico di 2.5 Å, sono solubili elementi con raggio atomico di 2.1-2.9 Å. Ci sono due modi per classificare gli elementi di lega. Un primo metodo è quello diclassificarli in base alla loro affinità con il carbonio, ovvero in base alla loro capacità di formare carburi. Secondo lo schema che segue gli elementi a sinistra del ferro sono meno affini al carbonio del ferro stesso; quelli a destra lo sono di più.
33N Co Al Si Fe Mn Cr Mo V Ta Nb Ti
Gli elementi a sinistra del Fe non formano carburi. Gli elementi a destra del Fe, invece, tendono a sostituirsi al ferro ed a formare carburi. Perciò in maniera crescente dal Mn al Ti questi elementi tendono ad allontanare il ferro dalla cementite per formare altri carburi.
DESIGNAZIONE UNI7.4 - CLASSIFICAZIONE DEGLI ACCIAI:
La designazione convenzionale degli acciai maggiormente utilizzata in Italia è contenuta nella norma UNI EU 27/77 di cui si riporta un estratto in Tab.1.
In essa gli acciai sono divisi in due gruppi. Nel primo gruppo sono compresi gli acciai designati in base alle loro caratteristiche meccaniche (sottogruppo I.1), ed in base all'impiego (sottogruppo I.2).
cioè quegli acciai per i quali non è garantita la composizione chimica, ma solo le caratteristiche meccaniche o proprietà particolari che ne determinano l'impiego. Gli acciai del sottogruppo I.1 vengono designati con la sigla Fe (FeG per gli acciai per getti) seguita da tre cifre che rappresentano il valore minimo espresso in MPa (N/mm²) di R o Rs (in quest'ultimo caso vengono precedute dalla lettera E) e dall'eventuale simbolo chimico di un elemento volutamente aggiunto per migliorare alcune particolari proprietà. Es.: Fe 410 Pb - acciaio con R = 410 MPa contenente Pb in bassi tenori; Fe E 355 Mn – acciaio con Rs = 355 MPa contenente Mn in bassi tenori. Gli acciai del sottogruppo I.2 vengono indicati con la sigla Fe seguita da una lettera caratterizzante le proprietà particolari seguita da un numero di due o più cifre (secondo la specifica relativa al prodotto). Es.: Fe P 03 - acciaio in lamiera sottile per imbutitura, grado diqualità 03. Tutti gli acciai del primo gruppo vengono messi in opera allo stato grezzo di lavorazione a caldo senza aver subito trattamento termico, o, in casi eccezionali, dopo normalizzazione. Nel secondo gruppo sono compresi gli acciai designati in base alla loro composizione chimica. Quasi tutti questi acciai vengono messi in opera dopo un opportuno trattamento termico che ne esalta alcune caratteristiche, in funzione del tipo di applicazione. Si distinguono due sottogruppi: acciai non legati (II.1) e acciai debolmente legati e acciai legati (II. 2). Gli acciai non legati destinati al trattamento termico vengono designati con la lettera C (GC nel caso di acciai per getti) seguita dal tenore di carbonio moltiplicato per cento ed eventualmente dal simbolo di un elemento la cui presenza (pur in bassi tenori) determina proprietà particolari, seguita a volte da una cifra (secondo la specifica relativa al prodotto). Es.: C 40 S - acciaio non legato da trattamento termico con tenoremedio di carbonio 0,4 % e contenore minimo garantito di zolfo. Gli acciai non legati destinati ad impieghi particolari sono designati con la lettera C seguita da una lettera indicante l'impiego al quale è destinato l'acciaio e dal tenore di carbonio moltiplicato percento. Es.: CD 30 Cr 1 - acciaio non legato per vergella con tenore medio di carbonio 0,3 % e con aggiunta di cromo al livello 1. Gli acciai debolmente legati e acciai legati (sottogruppo II.2) si distinguono in acciai in cui il tenore ≥ di ogni elemento di lega è < 5 % e acciai in cui il tenore di almeno un elemento di lega è 5. I primi vengono designati con una cifra indicante il tenore di carbonio moltiplicato per cento, seguita dai simboli chimici degli elementi di lega caratterizzanti l'acciaio, in ordine corrispondente a tenori decrescenti, e da un numero che corrisponde al prodotto del tenore dell'elemento di lega presente in quantità maggiore moltiplicato per un
Il fattore convenzionale per cobalto, cromo e manganese è 4.
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